摘要:該設(shè)計(jì)解決了IC卡預(yù)付費(fèi)電能表存在的問題,同時(shí)繼承了先購電后用電的管理模式.電力部門的管理微機(jī)通過RS485網(wǎng)絡(luò)對電能表進(jìn)行管理,以防止用戶竊電;選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。
關(guān)鍵詞:IC卡預(yù)付費(fèi)電能表;RS485網(wǎng)絡(luò);射頻卡
一、引言
IC卡預(yù)付費(fèi)電能表采用先購電后用電的管理模式,在一定程度上解決了電力部門收取電費(fèi)難的問題。然而IC卡預(yù)付費(fèi)電能表存在很大的問題,首先是由于電力部門缺乏對IC卡電能表用戶的監(jiān)管,當(dāng)IC卡被破密后,很難發(fā)現(xiàn)和査處,導(dǎo)至國家損失大量的電費(fèi);其次IC卡易被污染和損壞等。
本設(shè)計(jì)的主要目的就是為了解決IC卡預(yù)付費(fèi)電能表的存在的問題,同時(shí)繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門的管理微機(jī)通過RS485網(wǎng)絡(luò)對電能表進(jìn)行管理,以防止用戶竊電;選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。
二、電能表管理系統(tǒng)
為了降低成本,管理微機(jī)既作為電能表用電管理上位機(jī),同時(shí)還和發(fā)卡機(jī)一起完成發(fā)卡任務(wù)。電能表管理系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 電能表管理系統(tǒng)圖
管理微機(jī)與發(fā)卡機(jī)通過C0M1來實(shí)現(xiàn)通信,采用RS232C通信接口標(biāo)準(zhǔn)。管理微機(jī)與電能表通過COM2來實(shí)現(xiàn)通信,采用RS485通信接口標(biāo)準(zhǔn)。
發(fā)卡機(jī)具備射頻卡讀寫功能,其主要作用是讀寫射頻卡,與管理微機(jī)一起實(shí)現(xiàn)用戶的開戶、交費(fèi)、注銷、電量查詢等功能。
三、基于射頻識(shí)別技術(shù)的電能表其主要的工作原理
1.用戶用電前須先到電力管理部門購買射頻卡和預(yù)交電費(fèi),由管理部門把用戶的信息及購電量錄入管理微機(jī)并由發(fā)卡機(jī)寫入射頻卡。
2.當(dāng)用戶持有效射頻卡掠過電能表時(shí),電能表內(nèi)的讀寫模塊首先對射頻卡進(jìn)行驗(yàn)證,逋過驗(yàn)證后讀取射頻卡的信息,當(dāng)卡內(nèi)電費(fèi)充足時(shí)為用戶供電,同時(shí)把用戶信息寫入EEPROM,且電能表開始計(jì)量用電量。
3.電能表釆用遞加計(jì)量的方式,用電量存儲(chǔ)在EEPROM中,且用電量每增1度存儲(chǔ)器存儲(chǔ)一次,電能計(jì)量精度為0.01度。
4.管理微機(jī)采用RS485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)電表采集用電數(shù)據(jù),用電數(shù)據(jù)經(jīng)管理微機(jī)處理后列出兩個(gè)名單(電量小于10度的黃名單與電量為0的黑名單)向網(wǎng)絡(luò)中的電能表廣播。電能表在確認(rèn)用戶卡上了黃名單后聲音與指示燈報(bào)警,提醒用戶及時(shí)充值,但電能表繼續(xù)為用戶供電;電能表在確認(rèn)用戶卡上了黑名單后,聲音與指示燈報(bào)警,且停止 為該用戶供電,退出該用戶卡,電能表處于待機(jī)狀態(tài)。
5.用戶想終止用電,只需將射頻卡再次靠近電能表,電能表再次讀取射頻卡內(nèi)的信息,把卡內(nèi)電量減去本次用電量,且把運(yùn)算結(jié)果回寫射頻卡內(nèi)。同時(shí)電能表斷開繼電器,停止為該用戶供電。
6.電能表在為某用戶供電過程中,其它射頻卡則不能刷卡用電,只有在電能表待機(jī)時(shí)才能接受另一用戶卡的刷卡。由于有效讀卡距離僅為100mm左右,因此當(dāng)有卡路過某電能表時(shí),卡與電能表距離較遠(yuǎn)不會(huì)觸發(fā)電能表。
7.一張卡可以在不同的電能表中使用,且可以在多個(gè)電能表上同時(shí)使用。
8.在用電過程中如出現(xiàn)斷電,通過備用電池將用戶本次用電量存入EEPROM中。來電后,電能表繼續(xù)為該用戶供電。如用戶不想下次來電后繼續(xù)供電,只需將射頻卡再次靠近電能表,取消供電,來電后電能表將處于待機(jī)狀態(tài)。
四、電能表系統(tǒng)硬件構(gòu)成
電能表硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,整個(gè)系統(tǒng)由七大部分組成:射頻卡讀寫模塊、電能計(jì)量模塊、存儲(chǔ)器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報(bào)警等。
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,以MCU為核心,將其他模塊有機(jī)的整合在一起,形成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。以下各節(jié)是系統(tǒng)各部分的具體設(shè)計(jì)方案。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖
五、軟件模塊的構(gòu)成
5.1 軟件模塊的劃分
軟件釆用模塊化設(shè)計(jì),共劃分為五大模塊(如圖3),分別為與管理微機(jī)的通訊模塊、電能計(jì)量模塊、聲光報(bào)警模塊、射頻卡讀寫模塊以及黑黃名單的驗(yàn)證模塊。為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)大模塊的功能,又把每個(gè)大模塊劃分為若干個(gè)相應(yīng)的功能子程序或小模塊。主程序的作用是系統(tǒng)的初始化、中斷管理和監(jiān)視以及各功能模塊的調(diào)用等。
圖3 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖
5.2 主程序設(shè)計(jì)
設(shè)定MCU內(nèi)部RAM的78H作為黑、黃名單標(biāo)志單元,當(dāng)78H數(shù)據(jù)為#FFH時(shí),指示用戶卡已上黑名單;當(dāng)78H數(shù)據(jù)為#FEH時(shí),指示用戶卡已上黃名單;為其它數(shù)據(jù)則表明用戶卡未上黑(黃)名單。在進(jìn)行黑、黃名單驗(yàn)證時(shí),程序根據(jù)驗(yàn) 證結(jié)果對RAM的78H寫入對應(yīng)的值,以供主程序判斷。RAM的79H作為在有無刷卡標(biāo)志單元,如電表當(dāng)前已有用戶卡在消費(fèi),79H的內(nèi)容為#FFH;當(dāng)無用戶卡在消費(fèi)(電表處于待機(jī)狀態(tài))時(shí),79H的內(nèi)容為#00H;當(dāng)正在消費(fèi)的用戶卡第二次刷卡后,79H的內(nèi)容為#FEH,此時(shí)主程序檢測到這一狀態(tài)后,斷開用戶供電,計(jì)算本次用電后用戶的電費(fèi)余額,且將余額回寫射頻卡。
主程序流程圖如圖4,系統(tǒng)上電時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)初始化,開放外部中斷0及串行口中斷,然后等待中斷。當(dāng)無刷卡中斷時(shí),則不斷循環(huán)檢測卡片標(biāo)志單元79H。
當(dāng)刷卡時(shí),射頻接口模塊通過INTO請求中斷,MCU響應(yīng)中斷請求,調(diào)用讀卡子程序,此時(shí)分為兩種情況:
1、如電能表處于待機(jī)狀態(tài),則接收刷卡,讀出卡內(nèi)信息,同時(shí),置RAM中79H的值為#FFH,然后返回主程序。主程序調(diào)用黑黃名單驗(yàn)證子程序,如用戶卡已上電量不足的黑名單則報(bào)警同時(shí)返回主程序;當(dāng)用戶卡上電量小于10度的黃名單時(shí)報(bào)警但繼續(xù)為該用戶供電,直到電費(fèi)全部用完后停止供電;當(dāng)用戶卡不上黑黃名單時(shí),則正常為該用戶供電,同時(shí)調(diào)用電能計(jì)量程序。
2、如電能表處于非待機(jī)狀態(tài),說明電能表正在為一用戶卡供電,此時(shí)首先判斷本次的刷卡卡號與正在用電的用戶卡號是否相同,如相同則為該用戶的二次刷卡,射頻接口程序把RAM的79H置#00H,然后返回主程序。主程序在檢測出79H的數(shù)據(jù)為#00H后,判斷為是用戶取消供電,主程序調(diào)用電量核算程序,把該用戶的卡內(nèi)余額電量減去本次的用電量得到新的電量余額,然后調(diào)用寫卡子程序把新的電量余額回寫卡內(nèi);如本次刷卡卡號與正在用電的用戶卡號不同,則本次刷卡無效。
電能表在執(zhí)行電能計(jì)量程序的過程中,也能響應(yīng)中斷程序。在每次執(zhí)行了黑黃名單接收程序后,進(jìn)行一次黑黃名簞驗(yàn)證,根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對RAM的78H寫入對應(yīng)的值,然后返回電能計(jì)量程序。計(jì)量程序檢測78H的值,如為#FFH表明用戶卡已上新的黑名單,調(diào)用報(bào)警程序,然后切斷用戶供電,返回主程序。
圖4 主程序流程圖
5.3 電能計(jì)量程序設(shè)計(jì)
電能計(jì)量子程序流程圖如圖5所示。電能計(jì)量采用遞加的方式,單片機(jī)的P3.4(T0)端輸入用電計(jì)量脈沖,計(jì)滿3200個(gè)脈沖為一度電,用電量加1,數(shù)碼顯示加1。用電量存儲(chǔ)在EEPROM中,每增1度電則電量重新存儲(chǔ)一次,管理微機(jī)定時(shí)從各個(gè)電表的EEPROM中采集用電數(shù)據(jù)。
5.4 射頻接口程序
MFRC500能執(zhí)行有限的一些指令,并將這些指令傳輸?shù)?/font>MIFARE1用戶卡片上,單片機(jī)對MFRC500的某一指令操作不是簡單的一條指令所能完成的,須有一個(gè)程序序列來完成,其中有對MFRC500硬件內(nèi)核寄存器的設(shè)置以及判斷。在進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)或增、減值操作之前還須經(jīng)過復(fù)位應(yīng)答、防碰撞、選卡及認(rèn)證過程。操作流程圖如圖6所示。本設(shè)計(jì)釆用基于Keil C的C語言進(jìn)行編程,調(diào)用Philips公司提供的基本庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各種功能。
圖5.電能計(jì)量程序
圖6.操作流程
5.5 軟件調(diào)試及仿真
本設(shè)計(jì)釆用Keil uVision2調(diào)試單片機(jī)軟件,管理微機(jī)的管理數(shù)據(jù)庫采用SQL server 2000編寫。通過幾次軟件修改與電路調(diào)試現(xiàn)已實(shí)驗(yàn)成功,電度表能達(dá)到設(shè)計(jì)所預(yù)期的功能,包括多張用戶射頻卡的讀寫,與主機(jī)的通訊,電能計(jì)量、顯示、存儲(chǔ)等。
六、 安科瑞預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)及現(xiàn)場硬件選型
6.1 遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)分為五大模塊,分別是操作員登陸模塊、系統(tǒng)配置模塊、租戶(商鋪)管理模塊、售電管理模塊、報(bào)表中心模塊,系統(tǒng)大致運(yùn)行和操作流程如下:
本系統(tǒng)所有的報(bào)表及記錄查詢,都支持excel格式導(dǎo)出的功能。
(a)登陸管理:管理操作員賬戶及權(quán)限分配,查看系統(tǒng)日志等功能;
(b)系統(tǒng)設(shè)置:對建筑、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置;
(c)租戶管理:對用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、抄表導(dǎo)出及記錄查詢等操作;
(d)售電管理:對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作;
(e)報(bào)表中心:提供售電財(cái)務(wù)報(bào)表、用能報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等查詢。
6.2 應(yīng)用場所
(一)分布式商業(yè)
(二)連鎖門店
(三)物業(yè)管理企業(yè)
(四)分布式企業(yè)
(五)多分支院校
(六)智慧社區(qū)
6.3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)
遠(yuǎn)程閥控集抄系統(tǒng)整體架構(gòu)
6.4 設(shè)備選型
注:預(yù)付費(fèi)儀表、電流互感器等應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場回路電流大小等選擇配置,安裝、接線等由甲方負(fù)責(zé)。
6.5、業(yè)務(wù)模式
用戶自建平臺(tái),可建在用戶數(shù)據(jù)中心或監(jiān)控中心等,硬件客戶可以參照我方推薦系統(tǒng)設(shè)備配置參數(shù)采購或者申請阿里云服務(wù)器。
安科瑞指導(dǎo)客戶完成平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)管隊(duì)伍的培訓(xùn),如果客戶沒有技術(shù)力量維護(hù),也可以選擇由安科瑞有償維護(hù)。
成本要求嚴(yán)格的,可選擇托管在安科瑞平臺(tái),客戶可管理自己的數(shù)據(jù),不可獲取其他客戶數(shù)據(jù)。
七、結(jié)束語
本設(shè)計(jì)解決了IC卡預(yù)付費(fèi)電能表存在的問題,同時(shí)繼承了先購電后用電的管理模式。本設(shè)計(jì)形成產(chǎn)品后市場前景廣闊,對于我國電力市場的規(guī)劃管理將起到積極的作用。
參考文獻(xiàn)
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.05版
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作者簡介:
彭峰,男,本科,現(xiàn)就職于江蘇安科瑞電器制造有限公司,主要研究方向?yàn)轭A(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng),智慧用電等研發(fā)與應(yīng)用。